华南农业大学实验报告

专业班次 姓名 日期

一、实验名称

掠入射法测量棱镜的折射率

二、实验目的

1.掌握掠入射法测定棱镜折射率的原理

2.设计实验，测量棱镜折射率

三、实验器材

分光计、钠光灯（波长?0?589.3nm）、棱镜、毛玻璃

四、实验原理

如图。用单色扩展光源照射到棱镜AB面上，使扩展光源以约90角掠入射到棱镜上。当扩?

展光源从各个方向射向AB面时，以90入射的光线的内折射角最大，为i2max，其余入射角?小于90的，折射角必小于i2max，入射角必大于i1min，而大于90的入射光不能进入棱镜。?'?

这样，在AC侧面观察时，讲出现半明半暗的视场。明暗视场的交线就是入射角i1?90的?光线的出射方向。可以证明

cos??sini1min

sin?'2n?()?1

华南农业大学实验报告

五、实验步骤

（1）由于扩展光源辐射进棱镜的入射角度具有一定的范围，因此在AC出射面观察出射光时，可看到入射角满足i1min?i1?90?的入射光线产生的各种方向的出射光形成一个亮区，存在两条明暗交界线。合理摆放钠光灯光源与棱镜入射面的位置，在望远镜中找出这个亮区。 （2）旋转载物台，使入射到棱镜入射面的光线越来越少，当光源只有入射角约90?的入射光线射入棱镜，望远镜中观察到的视场将由亮区慢慢收窄成一条清晰地细亮线，此时的光线就是入射角i1?90?的光线的出射方向。利用

i1min?

12

(?1??2)?

12

[(?II??I)?(?'II??'I)]

计算此时亮线的角度i1min。

（3）测量棱镜的顶角?，计算棱镜折射率。

六、实验数据

?

棱镜的顶角??60

成绩： 教师： 日期

第二篇：采用线光源的掠入射法测量棱镜折射率的方案 3900字

实　验　技　术　与　管　理第24卷　第12期　20xx年12月　　　　　　　　　　　　　　　　　CN11-2034/TExperimentalTechnologyandManagementVol.24　No.12　Dec.2007

采用线光源的掠入射法测量

棱镜折射率的方案

谭穗妍,李　海,刘　岩,徐海涛,徐初东

(华南农业大学物理系,广东广州　510642)

摘　要:提出一种利用线光源,方案。实验结果表明,该方案容易精确地找到90°,,提高测量精度。

关键词:掠入射法;折射率;线光源

中图分类号:G642.423;O4234　　:B(2007)1220037203

measuringindexofrefraction

ofprismwithlinearlightsource

TANSui2yan,LIHai,LIUYan,XUHai2tao,XUChu2dong

(PhysicsDepartment,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China)

Abstract:Anewschemeisputforward,inwhichalinearlightsourceisusedforglancingincidencemeasuringindexofrefractionofprism,andtheonlyoneboundarybetweenlightandshadecanbeexactlyfound.Theexperimentre2sultsshowthattheerrorsarereducedandmeasuringprecisionisimproved.

Keywords:glancingincidence;indexofrefraction;linearlightsource

1　掠入射法的测量原理

在大学物理实验中,采用掠入射法测量棱镜折

[1～2]射率,如图1所示。用单色扩展光源(钠光灯

源前加一块毛玻璃)照射到棱镜AB面上,使扩展

光源的光线以约90°掠入射到棱镜上。当扩展光源

出射的光线从各个方向射向AB面时,以90°入射

的光线的内折射角最大,为i2max;其出射角最小,

为i′的,折射角必小于i2max,2max;入射角小于90°

出射角必大于i2′的入射光线不能进入max;大于90°

棱镜。这样,在AC侧面用望远镜观察时,将出现

半明半暗的视场(如图1所示)。明暗视场的分界

线就是入射角为i1=90°的光线的出射方向。可以

证明折射率满足:

n=图1　掠入射法的光路图　　若学生测出明暗视场交线与AC面法线的夹角i′l1min和棱镜顶角α,即可求出棱镜折射率。cosα

+sini′1min

sinα2+1.2　采用线光源方案的提出

在实验教学过程当中,我们教师发现采用上

述掠入射法测量玻璃棱镜折射率,学生的测量结

果总与已知的棱镜折射率相差较远,误差较大;

而且,同一台实验仪器经不同学生测量,得出的收稿日期:2007201222　修改日期:2007205222作者简介:谭穗妍(1981―),女,广东省罗定县人,本科,助理实验师.

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实　验　技　术　与　管　理

结果有明显的差别。对于这些情况,我们经过分析、排查后认为,能否精确地找准明暗分界线是本实验的关键,影响原因有2个:由于扩展光源的辐射角度存在一定范围,棱镜入射面上90°入射角的光线与最小入射角的光线的夹角小于90°,因而在棱镜出射面上一般观察到的是一个亮的光柱,存在着两条明暗场的分界线,如图2,学生容易混淆;由于使用面扩展光源直接照射棱镜,造成扩展光源的部分光线直接进入望远镜,观察视场的背景光比较强,使实验中观察到的是一个明暗过渡带,如图2,明暗分界线不清晰,对明暗视场分界线的判断造成干扰,因此以肉眼确定分界线位置,会存在较大的主观性,最小出射角im′in误差较大

。

段的一个端点对应90°掠入射光线在AC出射面的

出射点,另外一个端点是最小入射角的光线在AC出射面的出射点。若我们顺时针缓慢旋转载物台,随着入射光线射入到AB面的角度不断增大,如图4(b)所示,能够进入到棱镜的光线不断减少;线2的入射角增大到约90°,线1的入射角大于90°;入射角度大于线2的其他光线,由于被BC面挡住不能进入棱镜;角度小于线2的光线,其入射角的不断增大,出射光线的出射角则不断减小。,出射角最大,即AC,因此望远镜,如图4(b)所示。,使线光源约只有90°掠入射光线射入棱镜,其余光线的入射角均大于90°,则出射面只有90°入射光线的出射线,相应视场由亮线段进一步缩短成为一个清晰亮点,该点即为90°掠入射光线的出射点,而且必定经过原来的明暗场分界线,如图4(c)所示。因为此亮点容易寻找而且是唯一的,因此通过旋转载物台寻找亮点的方法可以精确地找出明暗分界线,测出最小出射角i1′min

。

图2　扩展光源下的亮光柱

针对以上的缺点,我们提出新的实验方案:采用线光源作为掠入射光源,可以避免因扩展光源的

直接照射而在望远镜视场中造成强背景光场;通过旋转载物台获得清晰、单一的明暗分界线,即精确地找出90°掠入射光线的出射线。实验结果表明该方案能使学生准确地找到明暗分界线,从而能够测准最小出射角,提高测量棱镜折射率的精度,减小测量误差。

3　采用线光源方案的测量过程

新方案的测量过程分为2个步骤:

(1)线光

图3　线光源的产生

源的获取。如图3所示,把JJY-II型分光计平行光管的狭缝调节为与载物台平行,让扩展光源通过狭缝后形成线光源。(2)获得单一的明暗分界线。把此线光源以约90°掠入射到棱镜AB面,由于线光源辐射进棱镜的入射角度i1具有一定的范围,从光路分析可知,在AC出射面观察到的是一条平行于载物台的明亮直线段,如图4(a)所示,线

4　实验数据与讨论

4.1　用面扩展光源测量棱镜折射率的数据

调节好分光计后,放上三棱镜。已知三棱镜的材料为ZF1,折射率n=1.6475,顶角α=60°。将面扩展光源以90°掠入射棱镜AB面,找到出射面的明暗分界线,记下分界线和法线的角位置,如表1。

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谭穗妍,等:采用线光源的掠入射法测量棱镜折射率的方案

图4　线光源测量棱镜折射率光路图

表1　使用面光源的测量数据

左

123

右

出射线94°50′78°39′101°55′

法线

316°36′304°33′327°22′

出射线

274°25′258°24′281°45′

法线

136°11′124°37′147°28′

i′1min折射率n

1.6771.7281.722

41°46′46°3′45°35′

测量结果:n=1.708,Sn=0.028,n=1.708±0.028,E=3.7%。

4.2　用线光源测量棱镜折射率的数据

将线光源代替面扩展光源,用望远镜在棱镜出

射面找到亮直线段后,缓慢旋转载物台,观察亮线

段逐渐缩短,最后成为一个清晰的亮点,记下亮点与AC出射面法线的角位置,如表2,此亮点的角位置与法线角位置的夹角即为最小出射角i1′min。

表2　使用线光源的测量数据

左

123

右

出射线

105°2′104°57′106°2′

法线

324°20′324°5′325°20′

出射线

284°59′284°53′285°59′

法线

144°12′144°15′145°28′

i′1min折射率n

1.64651.64641.6484

39°16′39°15′39°25′

测量结果:n=1.6470,Sn=0.0009,n=1.6470±0.0009,E=0.03%。

5　结论

(1)比较实验数据,发现采用扩展光源,并利

(2)新的实验方案操作简单,学生在实验过程

中通过转动载物台,能更深刻理解光路在棱镜中的走向,可以更好地掌握掠入射法的测量原理。

(3)利用线光源测量棱镜折射率的方案不需要另外购置实验仪器,利用分光计平行光管的狭缝装置即可产生线光源,简单可行。参考文献(References):

[1]邬铭新,李朝新.基础物理实验[M].北京:北京航天航空大

用观察到的明暗视场的分界线作为90°掠入射光线的出射线时,由于存在明暗过渡带导致对分界线的定位精度不高和受到另外一条明暗分界线的干扰,造成测量的最小出射角有较大的误差。用平行光管获得线光源代替面扩展光源,可大大减小光源直接照射对观察视场的影响;通过旋转载物台可以在视场获得清晰的、唯一的明暗分界线,大大提高了测量的精度。

学出版社,1998,3222323.

[2]习岗,杨初平.大学物理实验[M].北京:中国农业出版

社,2003.

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